膨润土-沸石制备新型复合猫砂试验研究

2024-03-25 22:13

近年来随着宠物猫数量的急剧增加，新兴环保产品猫砂需求量也随之增大。市售猫砂产品很多，产品成分不同。硅胶猫砂以非晶态SiO₂为主要成分，硅胶颗粒强度好，但是吸附性能差，容易产生渗透现象。硅胶颗粒吸水后产生热量较多，使宠物猫生活环境温度升高，滋生细菌。松木猫砂质轻，宠物生活舒适度高，但是除氨效果一般，而且价格昂贵。传统膨润土猫砂以钙基膨润土为主要成分，价格低廉，吸水效果好，但是结块效果和除氨效果差，易产生粉尘，影响宠物生活舒适度。

本试验在传统膨润土猫砂制备基础上进行改性研究，通过加入多孔材料沸石，增强猫砂吸氨效果，将膨润土钠化，既作吸附剂又充当黏结剂，改良猫砂颗粒强度同时降低粉尘。以膨润土为主要材料的新型猫砂制备成本低，效果好，具有广阔的市场前景。

试验部分

1、原料

试验原料为经旋流器组提纯后钙基膨润土和斜发沸石。将提纯后膨润土烘干、研磨，进行化学成分和性能指标分析，原料化学组成见表1。膨润土性能指标见表2。

分析表1和表2可知，试验用膨润土SiO₂与Al₂O₃质量比为3.96，大于理论硅铝比2.36，说明样品中含少部分杂质。Na₂O和K₂O含量之和为0.51%，远小于CaO含量3.26%，说明试验样品为典型钙基膨润土，与表2中蒙脱石含量88.14%相对应。沸石样品中除含有SiO₂、Al₂O₃组分外还含有其他金属氧化物。沸石是由硅氧四面体和铝氧四面体为基本骨架构成的多孔状矿物，由于在铝氧四面体中一个氧原子的价电子没有得到中和，所以铝氧四面体带一个单位负电荷，为了保持电中性，沸石会吸附其他金属阳离子（Mn+）抵消其负电荷。在长期的地质作用下，许多金属阳离子被其吸附，并进行离子交换。因而沸石中含有较多其他金属离子，金属离子在物相分析中以其氧化物表现出来。所用沸石原料中SiO₂与Al₂O₃质量比值约为4.27，介于4~8，属于中硅沸石。

2、试剂及仪器设备

碳酸钠（Na₂CO₃）、氯化铵（NH₄Cl）、盐酸（HCl），均为分析纯。电子天平，电热鼓风恒温烘箱，X射线衍射仪化验制样粉碎机，对辊挤压机，恒温磁力搅拌器。

3、试验方法

取一定量除砂提纯钙基膨润土在105℃下烘干，粉碎制样，以Na₂CO₃为钠化剂，在不同用量和对辊挤压作用下进行半干法钠化改性。沸石磨矿后进行筛分分级，取-100μm粒级进行轻烧试验。将改性样品与轻烧活化沸石粉进行不同配比混合，调湿挤压成短柱形猫砂。

4、结果与讨论

从图1可看出，随着Na₂CO₃溶液质量分数的增加，膨润土矿质组分中Ca²⁺ 含量下降，Na⁺则表现出明显的上升趋势。原因是蒙脱石四面体结构中Si⁴⁺被 Fe³⁺ 取代，或蒙脱石八面体结构中Al³⁺被Mg²⁺ 等取代后电荷平衡受到破坏，只能依靠吸附在层间Ca²⁺平衡电荷，Ca²⁺在层间键合力能量值较低且易被Na+或其他离子置换。因此，当Na₂CO₃ 质量分数变化较大时，Ca²⁺ 置换速率较快，在Na₂CO₃质量分数小于11.0%时变化明显。随着Na₂CO₃质量分数继续升高，置换速率趋缓，Ca²⁺和Na⁺置换差量先升高而后达到平衡状态，当Na₂CO₃质量分数为17.0%时，Ca²⁺置换差量达到最大值为3.1%，钠化效果良好。

从图2可看出，膨润土原矿晶层间距 d001为1.53430 nm，相当于蒙脱石结构层（0.96 nm）与二层吸附水分子厚度之和，大于1.4 nm，说明试样为典型钙基膨润土。经钠化后，晶层间距d001由1.53430nm变为1.26178 nm，原因是钠化过程中Na⁺进入蒙脱石层间，交换出离子半径更大的Ca²⁺，导致晶层间距缩小，表征数值下降。d001峰底角变宽，峰值下降变平缓，说明钙基膨润土钠化效果明显。

由图3可知，450℃条件下活化效果最佳。原因是适当温度活化能使沸石分子结构中水分子和残留杂质去除，形成大量空穴，增强其吸附性能。活化后沸石将发生固体熔结，产生少量相变化的同时颗粒间接触面积增大，黏结牢固，分子强度也增强，有利于吸附过程进行。500℃活化沸石吸氨量反而下降，是由于当温度过高时，沸石分子结构发生破坏，晶格塌陷，小孔闭合，孔道堵塞，固体颗粒总面积减小，影响吸附性能。

由图4可知，当钠化膨润土和轻烧沸石用量配比为94∶6 时，吸氨量、吸水量及吸水速率综合吸附效果最佳。4号配比样品性能明显优于国外和国内高质量猫砂。

钠化膨润土-沸石制备猫砂可行性分析：钠基膨润土与钙基土相比，吸水量和膨胀倍数明显增强，在水中分散性好，半干法钠化后膨润土热稳定性和黏结性明显增强。由于蒙脱石结构中四面体Si⁴⁺被 Al³⁺、Fe³⁺ 或八面体中的A1³⁺、Fe³⁺被 Mg²⁺、Fe²⁺代替，破坏了电价平衡，从而靠吸附在层间的金属阳离子来平衡电价。在猫砂制备过程中，膨润土在补加水时吸水膨胀，形成凝胶结构，数量不定的膨润土片层会因剪切力和挤压力的作用从原先的晶体结构中分散开，片层基面带负电，边缘断面的 SiO₂和 Al₂O₃的Si-O和Al-O键断裂，片层断面带正电。

在挤压过程中，片状膨润土颗粒以“面-面”、“边-面”和“边 - 边”3 种按系统能量趋于最低的方式进行静电吸附。在静电作用下，膨润土形成了“卡房式”三维凝胶结构。活化沸石分散于膨润土凝胶结构中，有较强的稳定性，强度较高。

结论

钠基膨润土在猫砂球团中不仅作为吸水、吸氨材料而且充当黏结剂包覆活化沸石颗粒，增强了猫砂颗粒的强度和吸附效果。膨润土、沸石配比为 94∶6时，新型复合猫砂吸水、吸氨效果均达到了较高平，有良好的市场前景。

文章内容来源于任瑞晨等《膨润土-沸石制备新型复合猫砂试验研究》，数据可能有所延迟，贵在分享，如有侵权请告知删除！

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